基于干擾機(jī)組網(wǎng)的新型相參干擾技術(shù)研究

李修和

(電子工程學(xué)院，合肥 230037)

0 引言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，相干雷達(dá)信號(hào)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的噪聲干擾信號(hào)能量已經(jīng)很難進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的信號(hào)處理終端，從而使干擾效率降到很低，為此產(chǎn)生了“靈巧噪聲”(smart noise）干擾技術(shù)［1-2］?！办`巧噪聲”干擾技術(shù)改變了傳統(tǒng)壓制性干擾的“功率”密集型，而轉(zhuǎn)向“技術(shù)”集約型。另外，由于科技的發(fā)展，電子戰(zhàn)從大型專用裝備向裝備小型化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展成為當(dāng)今一大潮流，近距離相參干擾系統(tǒng)就是其中之一。文獻(xiàn)［3］介紹了美軍開發(fā)的“狼群”系統(tǒng)，文獻(xiàn)［4］報(bào)道了我國(guó)對(duì)干擾機(jī)組網(wǎng)技術(shù)的研究，但都未涉及具體的技術(shù)問題。本文在深入分析現(xiàn)代雷達(dá)抗干擾能力的基礎(chǔ)上，對(duì)比傳統(tǒng)遠(yuǎn)距離支援干擾技術(shù)(SOJ），重點(diǎn)研究了組成近距離相參干擾系統(tǒng)(SFJ）的干擾機(jī)原理框圖及其使用的干擾樣式，詳細(xì)分析了此種干擾技術(shù)的功率利用率和時(shí)頻特性并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，結(jié)果表明近距離相參干擾系統(tǒng)壓制性干擾較寬帶阻塞式干擾有較大的優(yōu)越性。

1 雷達(dá)ECCM技術(shù)與“靈巧噪聲”干擾技術(shù)

1.1 雷達(dá)ECCM技術(shù)

對(duì)于SOJ 這種阻塞式壓制干擾，雷達(dá)所采取的ECCM技術(shù)都是以增大雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的輻射能量和抑制進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的干擾能量為目標(biāo)，從而減小雷達(dá)接收機(jī)端內(nèi)的干信比。影響SOJ 效果的雷達(dá)ECCM技術(shù)有以下幾種［5］:

(1）增大雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的輻射能量 主要是PC、PD 體制雷達(dá)采用新的信號(hào)形式和相控陣天線技術(shù)提高了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的輻射能量。

(2）頻域上降低干擾功率密度 主要是捷變頻雷達(dá)和大帶寬的擴(kuò)譜信號(hào)迫使干擾機(jī)增大帶寬，從而稀釋了干擾功率密度。

(3）空域上降低干擾功率密度 主要是超低副瓣接收、副瓣對(duì)消和副瓣匿隱技術(shù)稀釋了干擾功率密度。

(4）信號(hào)處理方式降低了干擾功率利用率 主要是PC和PD 等體制雷達(dá)的相參處理技術(shù)降低了干擾功率利用率。

1.2 “靈巧噪聲”干擾技術(shù)

“靈巧噪聲”干擾又稱為多樣調(diào)制干擾或覆蓋脈沖干擾［6］(cover pulse），是一種有效的靈巧干擾樣式。傳統(tǒng)的噪聲干擾是通過(guò)發(fā)射大功率的噪聲調(diào)制干擾信號(hào)作用于對(duì)方雷達(dá)接收機(jī)的AGC(自動(dòng)增益控制）系統(tǒng)，降低雷達(dá)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。而“靈巧噪聲”干擾是通過(guò)發(fā)射靈巧的干擾信號(hào)樣式，使得其能有效通過(guò)對(duì)方雷達(dá)接收處理系統(tǒng)，并作用在雷達(dá)顯示系統(tǒng)上，使得操作者很難發(fā)現(xiàn)和分辨雷達(dá)目標(biāo)的回波信號(hào)。

“靈巧噪聲”干擾信號(hào)是將假目標(biāo)和隨機(jī)噪聲干擾組合使用的干擾波形。這種干擾波形不僅具有雷達(dá)發(fā)射脈沖相干性，而且兼有噪聲干擾的性質(zhì)，使雷達(dá)信號(hào)處理器從干擾背景中提取真實(shí)目標(biāo)時(shí)面臨的問題更復(fù)雜［7］。把隨機(jī)假目標(biāo)和似噪聲回波響應(yīng)組合的高占空比的干擾波形可以有效對(duì)付采用相干處理技術(shù)的PC雷達(dá)、PD雷達(dá)以及旁瓣匿影或旁瓣對(duì)消技術(shù)。對(duì)于采用相干處理技術(shù)的PC 或者PD雷達(dá)，“靈巧噪聲”干擾機(jī)在其目標(biāo)回波附近發(fā)射許多相干噪聲猝發(fā)脈沖。這些脈沖在時(shí)間上與雷達(dá)真正的目標(biāo)回波重疊并且覆蓋住目標(biāo)回波，在頻域上能覆蓋并混亂多普勒濾波器，使有效的噪聲干擾功率得到加強(qiáng)。而旁瓣匿隱技術(shù)只對(duì)低占空比的脈沖干擾有效［8］。當(dāng)假目標(biāo)干擾的干擾功率比較高而且數(shù)量非常眾多(密集假目標(biāo)干擾）時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)的主路接收機(jī)將在大部分時(shí)間內(nèi)處于關(guān)閉狀態(tài)，丟失主瓣探測(cè)數(shù)據(jù)。旁瓣對(duì)消技術(shù)［9］主要是利用相干對(duì)消對(duì)付旁瓣噪聲干擾。由于“靈巧噪聲”信號(hào)是對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的存儲(chǔ)、調(diào)制和轉(zhuǎn)發(fā)，相關(guān)性強(qiáng)，所以旁瓣對(duì)消技術(shù)對(duì)“靈巧噪聲”干擾的對(duì)消效果比較差。同時(shí)，旁瓣對(duì)消器是有時(shí)間常數(shù)的，對(duì)脈沖不響應(yīng)，因此一般不能抑制脈沖型的旁瓣信號(hào)。而“靈巧噪聲”干擾信號(hào)具有脈沖信號(hào)的特征，所以能有效對(duì)抗雷達(dá)的旁瓣對(duì)消技術(shù)。

2 近距離相參干擾系統(tǒng)

2.1 干擾原理分析

近距離相參干擾系統(tǒng)是將眾多體積小、重量輕、價(jià)格便宜的小型電子干擾機(jī)散布在接近被干擾目標(biāo)的空域、地域上，自動(dòng)地或者受控地對(duì)選定的軍事電子設(shè)備進(jìn)行干擾。而這里的相參干擾是指采用“靈巧噪聲”的干擾信號(hào)樣式，它能有效通過(guò)雷達(dá)壓縮濾波處理系統(tǒng)，獲得相應(yīng)的相干處理增益。在圖1中是以傘降的方式向雷達(dá)陣地附近撒布干擾機(jī)。根據(jù)干擾原理，干擾距離減少十分之一，則干擾強(qiáng)度增大100 倍?？梢娡瑯拥母蓴_功率，近距離相參干擾系統(tǒng)的近距離干擾可以比SOJ 產(chǎn)生高得多的干擾強(qiáng)度;干擾信號(hào)不會(huì)受到低副瓣天線、副瓣匿隱或者對(duì)消的抑制，因而其干擾功率可以比副瓣干擾高40～60 dB。近距離相參干擾系統(tǒng)散布在不同的地域、空域，因而可以形成多方向的主瓣干擾扇面。這種多方向干擾扇面的組合，便可以形成大區(qū)域的壓制性干擾扇面。不同方向的干擾信號(hào)進(jìn)入波瓣自適應(yīng)調(diào)零天線，當(dāng)干擾方向大于或者等于自適應(yīng)調(diào)零天線陣元數(shù)目時(shí)，自適應(yīng)調(diào)零控制失效，干擾信號(hào)便可以順利地進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)。

綜上所述，近距離相參干擾系統(tǒng)是一種先進(jìn)的干擾技戰(zhàn)術(shù)措施，它具有如下的特點(diǎn):

(1）變副瓣干擾為主瓣干擾，以滿足干擾方向?qū)?zhǔn)的條件，能有效利用干擾功率;

圖1 近距離相參干擾系統(tǒng)示意圖

(2）變單向干擾為多向干擾，能有效對(duì)付雷達(dá)的旁瓣對(duì)消技術(shù)等;

(3）變遠(yuǎn)距干擾為近距干擾，以滿足干擾功率足夠大的條件，能有效對(duì)付雷達(dá)的頻率捷變技術(shù)并降低干擾功率的衰減損耗;

(4）變阻塞干擾為瞄準(zhǔn)干擾，以滿足干擾頻率對(duì)準(zhǔn)的條件，能有效提高干擾的效率，即以較小的干擾功率達(dá)到較好的干擾效果。

2.2 干擾機(jī)設(shè)計(jì)

如圖2所示，圖中實(shí)線箭頭表示信號(hào)路徑，虛線箭頭表示控制路徑。這個(gè)先進(jìn)的相參干擾機(jī)最重要的組成部分是數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(DRFM），它是由一個(gè)高速A/D 轉(zhuǎn)換器、一個(gè)高速RAM和一個(gè)高速D/A 轉(zhuǎn)換器組成。射頻天線接收到的雷達(dá)脈沖信號(hào)輸入，首先通過(guò)混頻器下變頻到DRFM中的A/D 轉(zhuǎn)換器能處理的帶寬內(nèi)，下變頻后的雷達(dá)脈沖由A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，采樣的速率要足夠高，以便獲取完整的脈沖信號(hào)瞬時(shí)帶寬內(nèi)信息和整個(gè)工作帶寬內(nèi)信息，以應(yīng)對(duì)雷達(dá)脈沖信號(hào)的跳頻。一般為達(dá)到這個(gè)要求，采樣速率都在1 GHz 或更高。然后，脈沖采樣信號(hào)被讀入高速RAM存儲(chǔ)一段時(shí)間，存儲(chǔ)的時(shí)間由控制器控制。當(dāng)需要對(duì)該雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行干擾時(shí)，由控制器控制讀出該采樣信號(hào)并送至D/A 轉(zhuǎn)換器，接著信號(hào)送到調(diào)制器與干擾信號(hào)源進(jìn)行附加調(diào)制，得到想要的干擾信號(hào)波形，然后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行上變頻并送到發(fā)射天線發(fā)射出去。在上變頻期間，通過(guò)直接數(shù)字合成器(DDS(頻率源））把一個(gè)額外的多普勒頻率加到雷達(dá)脈沖中去，達(dá)到距離與速度的雙重欺騙或壓制效果。干擾信號(hào)的數(shù)量由硬件中上變頻信道數(shù)決定(本文以兩路信號(hào)為例）。

圖2 相參干擾機(jī)的組成框圖

2.3 干擾效能評(píng)估

以雷達(dá)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)概率作為分析的指標(biāo)，比較在傳統(tǒng)的SOJ和本文提出的SFJ 干擾條件下雷達(dá)工作性能的變化情況和評(píng)估干擾的效能。

對(duì)于遠(yuǎn)距離支援干擾，雷達(dá)接收機(jī)端內(nèi)信干比為

式中，Pt為雷達(dá)發(fā)射功率，Gr為雷達(dá)天線增益，σ為目標(biāo)的雷達(dá)截面積，Rji為干擾機(jī)i 距雷達(dá)的距離，Gj為干擾天線增益，Grj(θ）為雷達(dá)天線在干擾機(jī)方向上的增益，Lr為雷達(dá)系統(tǒng)損耗，Lji為干擾機(jī)i的損耗，△fr為雷達(dá)接收機(jī)帶寬，R為目標(biāo)距雷達(dá)的距離。

對(duì)于近距離相參干擾系統(tǒng)壓制性干擾，雷達(dá)接收機(jī)端內(nèi)信干比為

式中，Lji為干擾機(jī)i的損耗，D為“靈巧噪聲”獲得的相干處理增益，Pji為干擾機(jī)i的發(fā)射功率，Gji為干擾機(jī)i的天線增益，△fji為干擾機(jī)i的帶寬，Grji(θ）為雷達(dá)天線在干擾機(jī)i方向上的增益，γji為干擾機(jī)i的極化損失，n為干擾機(jī)數(shù)量，而式中其他參數(shù)含義同前。

為便于分析，不妨設(shè)所有組成近距離相參干擾系統(tǒng)干擾機(jī)的性能參數(shù)一樣，干擾機(jī)的損耗記為L(zhǎng)j，干擾機(jī)的極化損失記為γj，干擾機(jī)的發(fā)射功率記為Pj，干擾機(jī)的天線增益記為Gj，干擾機(jī)的帶寬記為△fj。近距離相參干擾系統(tǒng)近距離壓制干擾條件下，雷達(dá)接收機(jī)端內(nèi)信干比可簡(jiǎn)化為

式中參數(shù)含義同前。

在Neyman-Pearson 準(zhǔn)則下，雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率可用下式表示:

式中，n為脈沖積累數(shù)，SNR為無(wú)干擾條件下雷達(dá)接收機(jī)的信噪比，而干擾條件下SNR 可用SJR 替換表示。

3 計(jì)算機(jī)仿真

3.1 仿真試驗(yàn)1

針對(duì)同一部雷達(dá)，采用SOJ和SFJ兩種戰(zhàn)術(shù)作對(duì)比試驗(yàn)，考察兩種干擾戰(zhàn)術(shù)的干擾效能，考核指標(biāo)為雷達(dá)檢測(cè)概率。雷達(dá)技術(shù)參數(shù)有:發(fā)射功率300 W，天線增益40 dB，接收機(jī)帶寬2.5 MHz，平均旁瓣增益－35 dB，系統(tǒng)損耗4 dB，噪聲系數(shù)10 dB，最小可檢測(cè)信干比3 dB。目標(biāo)RCS 設(shè)為3 m2。SOJ和SFJ的參數(shù)有:發(fā)射功率分別為200 W和15 W，距雷達(dá)的距離分別為150 km和30 km，干擾機(jī)系統(tǒng)損耗分別為15 dB和6 dB，極化損失均為0.5，干擾天線增益Gj分別為25 dB和5 dB，干擾機(jī)帶寬△fj分別為30 MHz和5 MHz，SFJ的干擾機(jī)數(shù)分別為1、3、5，參數(shù)完全相同。

根據(jù)式(1）、(2）和(4）分別計(jì)算采用兩種干擾戰(zhàn)術(shù)時(shí)，在不同干擾條件下，雷達(dá)的檢測(cè)概率隨目標(biāo)距離變化關(guān)系圖。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 雷達(dá)受干擾后的檢測(cè)概率隨目標(biāo)距離變化仿真圖

通過(guò)上述仿真試驗(yàn)，可以得到以下3 點(diǎn)結(jié)論:

(1）SOJ 遭遇雷達(dá)ECCM的挑戰(zhàn)，干擾效能急劇下降，雷達(dá)的檢測(cè)概率受干擾影響較小;

(2）SFJ 由于干擾距離的抵近，降低了干擾功率隨距離的衰減，增大了干擾功率密度，降低了對(duì)干擾機(jī)發(fā)射功率的要求;

(3）由于是組網(wǎng)干擾，干擾功率在雷達(dá)接收機(jī)處得到疊加，提高了干擾功率密度，且隨著干擾機(jī)數(shù)量的增加，干擾效果會(huì)更加明顯，雷達(dá)的檢測(cè)概率受到了較明顯的影響。

3.2 仿真試驗(yàn)2

為了進(jìn)一步驗(yàn)證近距離相參干擾系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾信號(hào)對(duì)付PC雷達(dá)的優(yōu)越性，選取LFM雷達(dá)為例，采用射頻噪聲干擾波形和“靈巧噪聲”干擾波形進(jìn)行仿真試驗(yàn)，考察它們的干擾效能，對(duì)比匹配濾波輸出，分別計(jì)算雷達(dá)接收機(jī)端內(nèi)的干信比增益。其中，LFM信號(hào)的載頻為30 MHz，調(diào)頻范圍為2 MHz，脈沖寬度為10 ms;噪聲服從高斯分布，寬度為1 ms。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和干擾信號(hào)波形以及射頻噪聲干擾和“靈巧噪聲”干擾的壓縮濾波結(jié)果如圖4所示。

圖4 雷達(dá)信號(hào)及干擾信號(hào)的壓縮濾波輸出

由雷達(dá)信號(hào)參數(shù)可以得出，匹配濾波器的壓縮增益為D=BT=2000。干信比增益定義為輸出端干信比與輸入端干信比之比。結(jié)果如表1所示，可見“靈巧噪聲”干擾的干信比提高了9 dB。

表1 干信比增益

通過(guò)上述仿真試驗(yàn)，可以得到以下兩點(diǎn)結(jié)論:

(1）由于雷達(dá)采用了壓縮濾波處理技術(shù)，稀釋了非相參干擾的功率密度，使得射頻噪聲干擾效能急劇下降;

(2）采用“靈巧噪聲”相參干擾波形，干擾信號(hào)具有雷達(dá)信號(hào)的脈內(nèi)或脈間調(diào)制特性，在時(shí)域壓縮了干擾能量，使得干擾能量更加集中，從而能有效提高干擾功率利用率。

3.3 仿真試驗(yàn)3

雷達(dá)干擾機(jī)近距離相參干擾系統(tǒng)從不同方位對(duì)對(duì)方雷達(dá)施放干擾信號(hào)，對(duì)方雷達(dá)為脈沖壓縮體制，且具有旁瓣對(duì)消技術(shù)，對(duì)消自由度為3(4 元陣）。仿真場(chǎng)景如圖1所示，不同干擾方位數(shù)條件下的天線方向圖如圖5所示。

通過(guò)上述仿真試驗(yàn)，可以得到以下5 點(diǎn)結(jié)論:

(1）4 元陣的對(duì)消系數(shù)為3，雖然圖5中的4 幅圖都有3個(gè)凹口，但干擾方位數(shù)大于對(duì)消系數(shù)時(shí)，對(duì)消性能下降;

圖5 不同干擾方位數(shù)條件下雷達(dá)天線方向圖

(2）如圖5(a）所示，當(dāng)干擾方位數(shù)為1時(shí)，4 元陣的對(duì)消效果較好。在60°的干擾方向形成了約－50 dB的天線增益，起到較好的副瓣對(duì)消效果，壓制了干擾功率進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī);

(3）如圖5(b）所示，當(dāng)干擾方位數(shù)為2時(shí)，4 元陣的對(duì)消效果較好。在40°和60°的干擾方向分別形成了約－47 dB和－49 dB的天線增益，起到較好的副瓣對(duì)消效果，壓制了干擾功率進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī);

(4）如圖5(c）所示，當(dāng)干擾方位數(shù)為3時(shí)，4 元陣的對(duì)消效果較好。在20°、40°和60°的干擾方向分別形成了約－68 dB、－59 dB和－55 dB的天線增益，起到較好的副瓣對(duì)消效果，壓制了干擾功率進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī);

(5）如圖5(d）所示，當(dāng)干擾方位數(shù)為4時(shí)，4 元陣的對(duì)消效果變差。在20°、40°、60°和80°的干擾方向分別形成了約－40 dB、－36 dB、－32 dB和－50 dB的天線增益。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著雷達(dá)對(duì)抗技術(shù)的迅猛發(fā)展，如何更好地干擾對(duì)方的現(xiàn)代雷達(dá)己經(jīng)成為必須加緊研究的課題。雷達(dá)面對(duì)噪聲干擾所采取的措施是盡可能寬地?cái)U(kuò)展其發(fā)射能量的頻率范圍以迫使干擾機(jī)稀釋其有效輻射功率密度，采用窄帶濾波技術(shù)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行相干處理以獲得相應(yīng)的處理增益，并且盡可能使其對(duì)從天線旁瓣進(jìn)來(lái)的信號(hào)的響應(yīng)最小。從本文的分析結(jié)果來(lái)看，即使對(duì)寬帶低旁瓣雷達(dá)，近距離相參干擾系統(tǒng)在主波束干擾方面仍具有優(yōu)勢(shì)。輕便靈巧的小型干擾機(jī)是雷達(dá)對(duì)抗的發(fā)展方向，近距離的干擾戰(zhàn)術(shù)和相參干擾技術(shù)是對(duì)付新體制雷達(dá)的好方法。

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